早在 NASA 成立之前，科幻作家亚瑟·C·克拉克在 1945 年就设想了可以使用光束将信息发回地球的宇宙飞船。经过数十年的挫折和死胡同，实现这一目标的技术终于走向成熟。
两艘计划在未来几周内发射的宇宙飞船将携带激光器，使数据传输速度比以往任何时候都更快。其中一艘计划于 9 月 5 日发射，是 NASA 的月球大气与尘埃环境探测器 (LADEE) 任务，该任务将从月球传输视频和科学数据。另一艘是欧洲航天局 (ESA) 的名为 Alphasat 的项目，计划于 7 月 25 日发射，将成为首颗从其他卫星收集大量科学数据的光学卫星。
“这是一个巨大的进步，”位于加利福尼亚州帕萨迪纳的 NASA 喷气推进实验室的光学通信专家哈米德·赫马蒂说。“欧洲首次超越了演示，开始实际应用这项技术。”
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这些激光器可以为即将到来的太空信息洪流提供更大的管道。新的地球观测卫星有望每年提供拍字节级的数据。诸如火星勘测轨道飞行器 (MRO) 等任务已经对其可以发回的数据量施加了限制，因为下载速率的波动与航天器与地球的距离变化有关。“现在，我们离地球非常遥远，所以我们无法将那么多图像放入我们的下行链路中，”在图森市亚利桑那大学 MRO 的 HiRISE 相机工作的英格丽德·道巴说。NASA 月球勘测轨道飞行器 (LRO) 副项目科学家约翰·凯勒说，激光数据高速公路最终可能使航天机构能够为其航天器配备更精密的设备。他说，这目前尚不可能。“我们受到可以下载数据的速率的限制。”
今天的航天器使用无线电波发送和接收信息。使用的频率比地球上音乐电台发出的频率高数百倍，并且可以塞进更多信息，从而使轨道广播能够每秒传输数百兆比特的信息。激光器在更高的频率下运行，可以达到每秒千兆比特（参见“已调谐”）。与拥挤且经过仔细分配的电磁频谱的无线电部分不同，光学波长未被充分利用且不受监管。
来源：NASA/JPL-Caltech
在二十世纪的大部分时间里，开发激光通信系统的努力都举步维艰：微弱的激光器和有问题的探测器使一个又一个项目脱轨。但光学技术的最新进展已开始改变局面。“这项技术已经成熟，”德国巴克南的公司 Tesat-Spacecom 的首席科学家弗兰克·海涅说。
在 20 世纪 80 年代，欧洲利用改进的激光器和光学探测器开始研发其首个激光通信系统，即半导体激光器星间链路实验 (SILEX)。配备该系统的 ESA 卫星 Artemis 于 2001 年从一颗法国卫星接收到每秒 50 兆比特的信息，然后在 2005 年与一颗日本卫星交换了信息。该项目教会了工程师如何在太空中稳定和指向激光器。但由于其预期的应用——提供互联网服务的卫星星座——被现在纵横交错全球的光纤电缆网络所取代，该项目被放弃了。
从那时起，海涅在 Tesat-Spacecom 的团队为卫星到卫星通信创建了一个激光终端，德国航空航天中心的成本为 9500 万欧元（1.24 亿美元）。通过现代光纤技术放大的激光器达到了瓦特级的功率——相比之下，SILEX 达到了数十毫瓦。2008 年，安装在两颗卫星上的终端以每秒千兆比特的速度在数千公里范围内传输信息。
一旦 ESA 的 Alphasat 定位在高地球静止轨道上，它将把这种激光终端的范围扩展到数万公里。未来在较低轨道上配备激光终端的卫星将能够以每秒高达 1.8 千兆比特的速度将信息束射到 Alphasat，然后 Alphasat 将使用无线电波将数据中继到地面站。Alphasat 的地球静止轨道意味着它可以向其地面站提供恒定的数据流——这与低地球轨道卫星不同，低地球轨道卫星每天只能在掠过头顶时与地面通信一两个小时。“其他卫星将能够购买我们激光终端的使用时间，”Alphasat 的代理项目经理菲利普·西瓦克说。
其中一位客户将是今年晚些时候发射的另一项 ESA 任务：Sentinel-1，这是为欧洲新的全球环境监测计划 Copernicus 发射的几艘航天器中的第一艘。它将在 2014 年底之前向 Alphasat 传输天气数据。届时，欧洲计划开始部署一个专用的激光中继卫星网络，该网络最终将处理 Sentinel 航天器舰队每天收集的 6 太字节的图像、地表温度测量值和其他数据。
但欧洲的太空激光器有一个明显的缺点。虽然它们可以在航天器之间传输信息，但它们在与地面通信方面存在困难——这项任务仍然必须由无线电波来完成。这是因为这些激光器通过略微改变光频率来编码信息，这类似于调制 FM 无线电台。以这种方式调制的波束可以防止太阳干扰，但容易受到大气湍流的影响。
NASA 即将进行的 LADEE 任务中的激光器将使用不同的方法直接与地球通信，这种方法不太容易受到大气干扰。它以 AM 风格编码信息，通过调整光波峰值的幅度而不是频率。
NASA 希望 LADEE 的演示能够将激光通信扩展到地球的近距离范围之外，扩展到月球和其他行星。深空任务目前依赖于无线电传输。但是无线电波在长距离传播时会扩散，从而削弱信号并降低数据传输速率。
相比之下，激光束保持其焦点，使其能够在更远的距离上传输已经更大的信息量，而无需使用无线电发射器所需的额外功率。“激光通信越往外走就越有利，”NASA 戈达德太空飞行中心 LADEE 月球激光通信演示项目任务经理唐纳德·康威尔说。
1992 年，伽利略探测器在前往木星的途中，发现了从地球发射的超过 600 万公里的激光脉冲。2005 年，地球上的激光器向火星全球勘测者发送了信号。另一个击中了前往水星的信使号任务，信使号任务用自己的激光脉冲做出了回应。今年 1 月，月球勘测轨道飞行器接收到了有史以来第一条用激光发送到月球的原始消息——一幅蒙娜丽莎的画像，它以摩尔斯电码的方式逐像素传输。
LADEE 搭载了 NASA 的首个专用激光通信系统。该系统带宽为每秒 622 兆比特，是从月球距离使用无线电可能实现的速度的六倍以上，可以广播高清电视质量的视频。但是，即使其 AM 光学系统擅长穿透地球湍流的大气层，它仍然需要备用无线电链路，以应对激光被阻挡的阴天。为了最大限度地减少这个问题，LADEE 的主要地面站位于新墨西哥州基本无云的沙漠中，备用站点位于另外两个阳光充足的地方：加利福尼亚州和加那利群岛。